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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtröhre, die LEDs (lichtemittierende Dioden) als Leuchtmittel verwendet, und insbesondere eine LED-Leuchtröhre, die in eine Halterung für gängige Leuchtstoffröhren eingebaut werden kann.
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Herkömmliche Leuchtstoffröhren werden zunehmend durch LED-basierte Leuchtröhren, nachfolgend als LED Leuchtröhren bezeichnet, ersetzt, die im Vergleich eine höhere Lebensdauer und einen geringeren Stromverbrauch aufweisen. LED Leuchtröhren sind zudem umweltfreundlicher, da für ihren Betrieb keine umweltschädlichen Gase notwendig sind. Derartige aus dem Stand der Technik bekannte LED Leuchtröhren weisen dieselben Sockel und Abmaße handelsüblicher Leuchtstoffröhren auf, damit durch einfachen Austausch herkömmlicher Leuchtstoffröhre gegen LED Leuchtröhren bestehende Röhrenfassungen und elektrische Installationen weiter genutzt werden können.
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Aufgrund der Verwendung punktförmiger Lichtquellen emittiert eine LED Leuchtröhre ihr Licht in Querrichtung in der Regel nur in einem Winkel von ca. 120° in Form eines sogenannten Lambertstrahlers, so dass die Beleuchtungscharakteristik nicht der gleichmäßigen Raumausleuchtung einer normalen Leuchtstoffröhre entspricht.
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Zur Lösung dieses Problems sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt. Ein größerer Abstrahlwinkel kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die LEDs der Leuchtröhre nicht in einer gemeinsamen Ebene, sondern doppeltseitig innerhalb der Leuchtröhre oder wie beispielsweise in
US 6,762,562 B2 vorgeschlagen, zueinander gekippt angeordnet werden. Dadurch sind die Lichtkegel der einzelnen LEDs zueinander verschoben und die resultieren Überlagerung der Lichtkegel weist einen erhöhten Abstrahlwinkel auf.
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Dieser Lösungsansatz ist insbesondere bei Einsatz neuerer Hochleistungs-LEDs anstatt einer Vielzahl herkömmlicher LEDs aufgrund der starken Hitzeentwicklung und der eingeschränkten Kühlmöglichkeit der Leuchtröhre ungeeignet. Entweder entsteht eine zu hohen Wärmeentwicklung durch den Betrieb der leistungsstarken LEDs oder es kommt zu störender Schattenbildung und Unregelmäßigkeiten in der wahrnehmbaren Lichtverteilung durch die unterschiedliche Ausrichtung der einzelnen Lichtkegel bei einer reduzierten Anzahl der verwendeten LEDs.
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Aus
EP 1 852 648 A1 ist ein weiterer Lösungsansatz bekannt, der eine LED-Leuchtröhre mit einer konvex-konkaven inneren Oberfläche der Abdeckung zur Winkelaufweitung zeigt. Dies ermöglicht zwar eine bessere Lichtverteilung, jedoch auf Kosten einer inhomogenen Lichtverteilung und großer Intensitätsverluste. Weitere aus dem Stand der Technik bekannte vergleichbare Lösungen zur Erhöhung des Abstrahlwinkels mittels einer erhöhten Streuung an der Leuchtröhrenabdekkung führen ebenfalls zu einer stark reduzierten Transmission der Abdeckung und damit einer reduzierten Leuchtkraft und Energieeffizienz der Leuchtröhre durch Absorptions- und Streueffekte des Lichts.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine LED-Leuchtröhre bereitzustellen, die Licht mit einem hohen Abstrahlwinkel bei gleichzeitig hoher Effizienz ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leuchtröhre gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß umfasst die LED-Leuchtröhre eine Leiterplatte, auf der mehrere in einer Ebene angeordnete LEDs in einem vorbestimmten Abstand befestigt sind. Mit anderen Worten sind die LEDs vorzugsweise derart angeordnet, dass die Lichtkegel der LEDS in Längsrichtung der Leiterplatte nicht zu einander gekippt sind. Die LEDs sind vorzugsweise Hochleistungs-LEDs, das heißt LEDs, die mit höheren Strömen als 20 mA betrieben werden. Die LEDs weisen einen Abstrahlwinkel von im Wesentlichen 170° oder mehr auf. Beispielsweise können derartige LEDs über eine Linse verfügen, um einen Abstrahlwinkel von 170° oder mehr, beispielsweise 180°, zu erreichen. Der Abstrahlwinkel 2γ, auch Vollwinkel genannt, ist der doppelte Intensitätshalbwertswinkel γ einer LED. Die LEDs können in vorbestimmten Abständen entlang einer Mittellinie der Leiterplatte plan angeordnet sein. Weiterhin umfasst die LED-Leuchtröhre einen Kühlkörper, der mit der Unterseite der Leiterplatte in Verbindung steht.
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Weiterhin umfasst die LED-Leuchtröhre eine transluzente Abdeckung, die das mit einem Abstrahlwinkel von mindestens 170° emittierte Licht der LEDs nach außen überträgt und mit dem Kühlkörper in Verbindung steht. Mit anderen Worten kann die Abdeckung einen Winkelbereich von 180° überdecken, so dass das gesamte emittierte Licht der LEDs in einem Abstrahlwinkel von 170° oder mehr durch die Abdeckung nach außen gelangen kann. Beispielsweise kann die Abdeckung als halbzylinderförmige Mantelfläche ausgebildet sein. Weiterhin besteht die Abdekkung aus einem lichtstreuenden Material, das einen Intensitätshalbwertswinkel von mindestens 10° aufweist, so dass die LED Leuchtröhre Licht mit einem Gesamtabstrahlwinkel von zumindest 180° emittiert. Vorzugsweise weist die Abdekkung einen Intensitätshalbwertswinkel von mindestens 20° auf, weiter vorzugsweise einen Intensitätshalbwertswinkel von mindestens 23°. Damit sind Abstrahlwinkel von mindestens 180° und vorzugsweis mindestens 200° möglich. Weiterhin weist die Abdeckung ein Transmissionsgrad von mindestens 80% auf.
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Der erfindungsgemäße LED-Leuchtkörper kombiniert damit die vorteilhafte Lichtverteilung einer herkömmlichen Leuchtstoffröhre mit den vorteilhaften Eigenschaften wie Lebensdauer, Stromverbrauch und Umweltverträglichkeit eines auf LED-basierten Leuchtkörpers. Die erfindungsgemäße Abdeckung ermöglicht eine Aufweitung des Abstrahlwinkels auf 180° oder mehr, ohne jedoch die Leuchtkraft durch störende Absorptions- oder Streueffekte auf mehr als 20% zu reduzieren. Die hohe Hitzeentwicklung, insbesondere bei Hochleistungs-LEDs, kann durch die Anordnung der LEDs in einer Ebene auf der Leiterplatte in Kombination mit dem Kühlkörper zuverlässig abgeleitet werden.
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Aufgrund der kompakten Abmaße von Leuchtröhren in Querrichtung und der hohen Wärmeentwicklung leistungsstarker LEDs ist ein effizienter Kühlkörper für den sicheren Betrieb der LED-Leuchtröhre von hoher Bedeutung. Hierzu kann der Kühlkörper einen halbzylinderförmig ausgebildeten ersten Abschnitt umfassen, an dessen der Leiterplatte abgewandtem Ende sternförmig ausgebildete Kühlrippen angebracht sind. Die sternförmige Anordnung der Kühlrippen ermöglicht eine möglichst große Oberfläche des Kühlkörpers und damit eine wesentlich effizientere Kühlung. Die verfügbare Kühloberfläche des Kühlkörpers kann weiter vergrößert werden, wenn der Radius des ersten halbzylinderförmigen Abschnitts des Kühlkörpers kleiner oder gleich der Länge der Kühlrippen ist. Vorzugsweise ist der Abstand der äußeren radialen Enden der Kühlrippen von der Mittellinie der Leiterplatte gleich oder nahe dem halben Durchmesser einer herkömmlichen Leuchtstoffröhre, um unter Einhaltung der zur Verfügung stehenden Einbaugröße den verfügbaren Platz für den Kühlkörper zu optimieren. Weiterhin können die Längsflanken der Kühlrippen eine rippenförmige Oberflächenstruktur aufweisen, um die zur Verfügung stehende Kühloberfläche zu maximieren.
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Weiterhin kann die Abdeckung ein lichtstreuendes Material, das auftreffendes Licht nicht absorbiert, sondern überwiegend nach vorwärts streut, enthalten. Dadurch können die sonst auftretenden Transmissionsverluste eines dispersiven Materials zuverlässig vermieden werden. Die Abdeckung kann aus einem Acrylglas (Polymethylmetacrylat, PMMA), in das kugelförmige Polymer-Partikel eingebettet sind, die eine unterschiedliche Lichtbrechung im Vergleich zu dem Acrylglas aufweisen, bestehen. Die kugelförmigen Polymer-Partikel sind vorteilhafterweise homogen und gleichmäßig in das Acrylglas eingebettet. Die Polymer-Partikel erzeugen eine homogene Vorwärtsstreuung des eintretenden LED-Lichts, ohne dieses Licht jedoch zu absorbieren, wie es beispielsweise bei eingelagerten Farbpigmenten der Fall ist, die eintretendes Licht absorbieren und stark rückwärts streuen. Die Erfinder haben bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen LED-Leuchtröhre festgestellt, dass bei Verwendung eines derartigen Materials für die Abdeckung die nachteiligen Streu- und Absorptionseffekte von herkömmlichen Diffusorabdeckungen zuverlässig vermieden werden können.
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Weiterhin kann die Leiterplatte mittels einer wärmeleitenden elektrischen Isolierschicht mit dem Kühlkörper verbunden sein. Weiterhin kann eine Aufnahmefläche des Kühlkörpers, die mit der Leiterplatte in Verbindung steht, an ihren äußeren Endbereichen im Wesentlichen senkrecht zur Aufnahmefläche angeordnete Aufstandskanten zur Aufnahme der oberen Abdeckung aufweisen. Eine im Wesentlichen senkrechte Anordnung umfasst einen Winkelbereich von +/–15° um 90°. Derartige Führungskanten ermöglichen einerseits eine zuverlässige Positionierung der Leiterplatte auf dem Kühlkörper bei der Montage des LED-Leuchtkörpers und bieten andererseits Aufstandskanten zur Aufnahme der Abdeckung, beispielsweise mittels eines Einschnappmechanismus. Darüber hinaus wird ein zusätzlicher seitlicher Kühleffekt erzielt.
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Zusammenfassend wird durch die vorliegende Erfindung eine LED-Leuchtröhre ermöglicht, die ein schatten-, blend- und fleckenarmes Licht mit hohem Abstrahlwinkel von mindestens 180° erzeugt, bei gleichzeitig hoher Lichttransmission von mindestens 80% des emittierten Lichts der LEDs. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Ansätzen wird eine Aufweitung des emittierten Lichts mittels der Abdeckung nicht auf Kosten der Lichttransmission bzw. der Lichthomogenität realisiert. Weiterhin wird durch eine plane, äquidistante Anordnung der LEDs auf einer Leiterplatte in Verbindung mit einem Kühlkörper mit sternförmig ausgebildeten Kühlrippen eine leistungsstarke Kühlung der LEDs ermöglicht, die den hohen Kühlanforderungen von leistungsstarken LEDs genügt.
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Bevorzuge Ausführungsformen und weitere Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben.
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1 zeigt eine Vorderansicht im Schnitt einer LED-Leuchtröhre gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine Vorderansicht im Schnitt einer LED-Leuchtröhre gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 illustriert schematisch das lichtstreuende Material der Abdeckung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 illustriert schematisch die Leuchtdichte in Abhängigkeit vom Streuwinkel des lichtstreuenden Materials der Abdeckung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die in 1 gezeigte LED-Leuchtröhre 1 umfasst eine Leiterplatte 3, auf der sechs LEDs 4 mit einer Leistung von 1 W äquidistant in einem Abstand von 5 cm entlang der Mittellinie der Leiterplatte befestigt sind. Die LEDs 4 sind in einer Ebene angeordnet, so dass die LEDs 4 in Längsrichtung der Leiterplatte 4 deckungsgleiche Lichtkegel emittieren, mit einer zur Leiterplatte 3 orthogonalen Symmetrieachse der Lichtkegel. Die LEDs 4 haben einen Abstrahlwinkel von ca. 180°, was einem Intensitätshalbwertswinkel von ca. 90° entspricht. Die Leiterplatte 3 ist mittels einer wärmeleitenden und gleichzeitig elektrisch isolierenden Schicht 2 in Form einer Folie oder einer Paste auf einem Kühlkörper 10 aus Aluminium befestigt. Alternativ kann auch ein anderes Material für den Kühlkörper, wie zum Beispiel dünnwandiges Kupfer oder eine Industriekeramik, verwendet werden, wenn es die erforderlichen Wärmeleiteigenschaften aufweist.
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Die LED-Leuchtröhre 1 weist weiterhin eine Abdeckung 5 aus Acrylglas 20 auf, die als halbzylinderförmige Mantelfläche ausgebildet ist und mit dem Kühlkörper verbunden ist und dadurch den Innenraum der Leuchtröhre 1 festlegt. In das Acrylglas 20 der Abdeckung sind kugelförmige Polymer-Partikel 21 homogen eingebettet, wobei diese Polymer-Partikel 21 eine unterschiedliche Lichtbrechung im Vergleich zu dem Acrylglas 20 aufweisen. Im Unterschied zum sonst üblichen eingelagerten Farbpigmenten oder ähnlicher Strukturen wird durch die eingebetteten Polymer-Partikel 21 das Licht nicht absorbiert, sondern vorwärts gestreut. Dadurch entsteht eine Winkelaufweitung des eintretenden Lichts bzw. ein dispersiver Effekt, ohne jedoch die Transmissionseigenschaften der Abdeckung negativ zu beeinflussen. Dadurch wird eine besonders hohe Leuchtkraft bei gleichzeitig hohem Abstrahlwinkel ermöglicht. Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die Abdeckung einen Transmissionsgrad von mindestens 80% und einen Intensitätshalbwertswinkel von über 23° auf. Der Intensitätshalbwertswinkel und der Transmissionsgrad können durch Variieren der Einlagerungsdichte der Polymer-Partikel 21 entsprechend variiert werden.
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Der Kühlkörper 10 hat einen halbzylinderförmig ausgebildeten ersten Abschnitt 11, an dessen der Leiterplatte 3 abgewandtem Ende sternförmig ausgebildete Kühlrippen 12 angebracht sind. Darüber hinaus weisen die Längsflanken 13 der Kühlrippen 12 eine rippenförmige Oberflächenstruktur (nicht gezeigt) auf, um die verfügbare Kühloberfläche weiter zu vergrößern. Der Radius des ersten halbzylinderförmigen Abschnitts 11 des Kühlkörpers 10 ist etwas kleiner als die Länge der Kühlrippen 12. Der erste Abschnitt 11 leitet damit die entstehende Wärme der Leuchtdioden 4 von den Leuchtdioden 4 über Wärmekonvektion ab und verteilt diese dann auf die sich anschließenden Kühlrippen 12 mit ihrer großen Kühloberfläche.
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Der Kühlkörper 10 weist linksseitige und rechtseitige Aufstandskanten 14 zur Aufnahme der oberen Abdeckung 5 auf. Die Aufstandskanten befinden sich an den Endbereichen der Aufnahmefläche des Kühlkörpers 10, die mit der Leiterplatte 3 in Verbindung steht. Die Aufstandskanten 14 sind im Wesentlichen senkrecht, in einem Winkel von 80° zur Aufnahmefläche angeordnet. Über einen mechanischen Einschnappmechanismus (nicht gezeigt) wird die Abdeckung 5 an den Aufstandskanten 14 befestigt. Der Durchmesser der in 1 gezeigten LED-Leuchtröhre beträgt beispielsweise bevorzugt 26 mm.
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Die weiteren Komponenten der LED-Leuchtröhre, wie beispielsweise die Befestigungssockel, Anschlussleitungen zur Stromversorgung etc. sind in üblicher Weise ausgeführt und zur Verdeutlichung des Erfindungsprinzips nicht näher dargestellt.
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2 zeigt eine Vorderansicht im Schnitt einer LED Leuchtröhre 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem im Unterschied zu der in 1 gezeigten Leuchtröhre die LEDs 4 paarweise angeordnet sind. Auf der Leiterplatte 3 sind zwei LEDs 4 paarweise und parallel zueinander linksseitig und rechtsseitig der Längsachse der Leiterplatte 3 befestigt. Entlang der Leiterplatte 3 sind dann mehrere diese LEDs 4 paarweise äquidistant angeordnet, beispielsweise jeweils in einem Abstand von 5 cm.
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Die äußeren Abmessungen der LED-Leuchtröhre sind vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass sie denen der sich im Handel befindlichen Leuchtstofflampen, beispielsweise der Bauart T8, T5 oder T12, entsprechen. Dadurch können Leuchtstofflampen herkömmlicher Bauart ersetzt und durch Leuchtdiodentechnik umgerüstet werden.
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Die 3 und 4 illustrieren beispielhaft das für die transluzente Abdeckung der LED-Leuchtröhre verwendete Material. Die Abdeckung 5 besteht aus einem Acrylglas 20, in das kugelförmige Polymer-Partikel 21 gleichmäßig eingebettet sind. Die eingebetteten Polymer-Partikel besitzen eine gezielt abweichende Lichtbrechung von dem Acrylglas. Die Polymer-Artikel sind weiterhin kugelförmig gewählt, um dadurch eine besondere zur Nutzoberfläche hin vorwärts gerichtete Streuung auftreffender Lichtstrahlen zu bewirken, wodurch sich ein hoher Transmissionsgrad ergibt. Weiterhin sind die eingebetteten Polymer-Partikel farblos, erzeugen aber durch den Streueffekt trotzdem einen dispersiven Effekt der Abdekkung. Das Acrylglas mit eingebetteten Polymer-Partikeln hat einen Intensitätshalbwertswinkel von mindestens 23° und ermöglicht somit eine weitere Aufweitung des Abstrahlwinkels von 180° auf über 200° der LED-Leuchtröhre.
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Der Winkelaufweitungseffekt der Abdeckung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 4 schematisch näher erläutert. 4 zeigt die Abhängigkeit der Leuchtdichte in cd/k2/lx (y-Achse) in Abhängigkeit vom Streuwinkel in Grad (x-Achse) und illustriert die hohe Vorwärtsstreuung.
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Die einzelnen Merkmale der Erfindung sind selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Kombinationen von Merkmalen im Rahmen der vorbestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt und können in Abhängigkeit vorgegebener Vorrichtungsparameter auch in anderen Kombinationen eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6762562 B2 [0004]
- EP 1852648 A1 [0006]
